原子标签索引:[概念×24 | 机制×5 | 流程×4 | 判据×7 | 分类×13 | 案例×2 | 数据×12] 上游:第1章(架构总概念) 下游:第3章信息系统、网络与嵌入式章节、安全章节均引用本章术语
标准表述
- 冯·诺伊曼结构五部件:运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备;内部运算采用二进制,程序存放于存储器自动执行。
- 指令集分两类:CISC(复杂指令集,代表 x86:Intel、AMD);RISC(精简指令集,代表 ARM、Power)。RISC 是指令集发展趋势。
- 存储器层次 4 级(按与处理器物理距离):片上缓存(SRAM,16kB~512kB)→ 片外缓存(SRAM,256kB~4MB,L2/L3)→ 主存(DRAM,数百 MB~数十 GB,需刷新)→ 外存(磁盘/光盘/Flash,掉电保持)。
- 总线按位置分三类:内总线(片内/片上总线)、系统总线(CPU—主存—I/O 接口;广义含级联的局部总线)、外部总线(通信总线);总线间用桥(Bridge)连接并转换协议。
- 操作系统是配置在硬件上的第一层软件;内核以最高优先级运行、可执行特权指令。
- 操作系统四大特征:并发性、共享性、虚拟性、不确定性。
- 操作系统三大作用:管理程序与分配软硬件资源、提供友好人机界面、为应用开发运行提供高效平台。
- 分时系统四特点:多路性、独立性、交互性、及时性。多道批处理三特点:多道、宏观上并行、微观上串行。
- 数据模型三要素:数据结构、数据操作、完整性约束。
- 数据库设计 6 阶段:需求分析 → 概念结构设计 → 逻辑结构设计 → 物理结构设计 → 数据库实施(应用程序设计)→ 运行维护。
- E-R 法概念结构设计三步:设计局部 E-R 模型 → 设计全局 E-R 模型 → 全局 E-R 模型优化。
- 分布式数据库 4 层结构:全局外层、全局概念层、局部概念层、局部内层(层间有映射,同构异构均适用)。
- 文件系统空闲空间管理方法:空闲区表(适合连续文件)、位示图(描述能力强、适合各种物理结构)、空闲块链、成组链接法(UNIX 采用,每 100 个空闲块为一组)。
- 文件共享方式:硬链接(多个目录表目指向同一索引结点,不能跨文件系统);符号链接(建立路径映射,可跨文件系统甚至跨网络)。
- 中间件位于操作系统、网络和数据库之上、应用软件之下,属可复用软件,起承上启下作用。
- 构件(组件)两个最重要特性:自包含(自包含性)与可重用。
- 商用构件三大标准:OMG 的 CORBA(底层 ORB="软总线")、Sun 的 J2EE(EJB 为服务器端分布构件规范,会话 Bean 维护会话、实体 Bean 处理事务)、Microsoft 的 DNA 2000(COM/DCOM/COM+)。
- 嵌入式系统:以应用为中心、软硬件可裁剪,须满足功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求。
- 嵌入式软件 5 层架构:硬件层 → 抽象层(HAL+BSP)→ 操作系统层 → 中间件层 → 应用层。
- 嵌入式软件六大特点:可裁剪性、可配置性、强实时性、安全性、可靠性、高确定性。
- 安全性=规定条件与时间内不发生事故的能力;可靠性=规定条件与时间内完成规定功能的能力。
- DO-178B 软件安全等级 A~E(失效从灾难性到无影响),需满足目标数依次为 66、65、56、28、0。
- OSI/RM 七层(下→上):物理、数据链路、网络、传输、会话、表示、应用。
- TCP/IP 四层:网络接口层、网际层(IP/ICMP/ARP/RARP)、传输层(TCP/UDP)、应用层。
- 以太网最小帧长 64 字节(CSMA/CD 所限),数据域上限通常 1500 字节。
- 香农公式:C = B·log₂(1+S/N),C 为信道容量(b/s)、B 为带宽(Hz)、S/N 为信噪比。
- 发送端信号处理链:信源编码 → 信道编码 → 交织 → 脉冲成形 → 调制;接收端相反。
- 5G 四大基本特征:高速率(峰值>20Gb/s,约为 4G 的 20 倍)、低时延(50ms→1ms)、海量连接(1000 亿量级)、低功耗。
- 5G 三大应用场景:eMBB(增强移动宽带)、mMTC(海量物联网)、uRLLC(超高可靠低时延)。
- UML 三要素:基本构造块(事物、关系)、图、公用机制;四种事物(结构、行为、分组、注释);四种关系(依赖、关联、泛化、实现);UML 2.0 共 13 种图。
- 媒体五类(ITU-T):感觉媒体、表示媒体、显示(表现)媒体、存储媒体、传输媒体。
- VR 三层含义:计算机生成逼真实体;用自然技能交互;借助三维传感设备(头盔、数据手套等)。
- 系统工程是组织管理"系统"的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法(钱学森,1978)。
- 霍尔三维结构(1969,硬系统方法论):时间维 7 阶段(规划、拟订方案、研制、生产、安装、运行、更新)、逻辑维 7 步骤(明确问题、确定目标、系统综合、系统分析、优化、决策、实施)、知识维。
- 切克兰德方法(软系统方法论)核心不是"最优化"而是"比较"与"探寻"。
- MBSE 三大支柱:建模语言(SysML)、建模工具、建模思路。
- 阿姆达尔定律:系统性能改进程度取决于可增强部分占总执行时间的比例(增强比例≤1)与增强倍数。
蒸馏笔记
概念
- 计算机系统:硬件子系统+软件子系统组成,按人的要求接收存储信息、自动处理并输出结果的机器系统。
- CISC/RISC:指令集两类;CISC 指令复杂庞大,RISC 指令精简、几乎所有后期新指令集均为 RISC。
- GPU/DSP/FPGA:GPU 数百至数千内核、并行运算(深度学习);DSP 实时数字信号处理(饱和算法、乘加运算);现场可编程门阵列。
- 虚拟化:把物理上一个实体变成逻辑多个对应物(或反之)的管理技术。
- 内核:提供进程、存储、文件、设备管理的模块;对硬件抽象,提供系统调用接口/API。
- 系统软件/应用软件:前者不依赖特定应用领域、管理软硬件资源;后者解决特定应用问题,分通用与定制(专用)两类。
- 数据模型:数据特征的抽象,数据库系统的核心与基础;关系=二维表。
- 分布式数据库:地理分散但逻辑相关、场地自治又统一管理;特点:集中控制、数据独立、冗余可控、场地自治、存取有效。
- 文件:有符号名、逻辑上完整的信息项集合;分文件体(内容)与文件说明(管理信息)。
- 中间件:分布式环境中隔离应用与系统差异的标准编程接口与协议,使应用开发相对独立于硬件和 OS。
- 构件:自包含、可复用的程序集,只能经接口访问。
- 嵌入式系统:嵌入设备内部、专用、软硬件一体化、资源受限的计算机系统。
- 安全攸关系统:失效会导致人员伤亡、财产损失等严重后果的系统。
- 计算机网络:通信线路连接地理分散的独立计算机,靠网络软件与协议实现资源共享和信息传递。
- 信道:信息传输通道;物理信道(有线/无线介质)与逻辑信道(虚拟线路)。
- 复用/多址:复用=一条信道同时传多路数据(TDM/FDM/CDM);多址=一条线上同时传多用户数据并在接收端分离(TDMA/FDMA/CDMA)。
- 机器语言:二进制指令集,计算机唯一可直接执行的语言;指令=操作码+操作数(地址码)。
- 汇编语言:机器语言符号化,仍面向机器;三种语句:指令语句、伪指令语句(汇编后不产生机器代码)、宏指令语句。
- UML:统一建模语言,与程序设计语言无关、是语言而非方法学;1997 年 OMG 采纳为 OO 标准建模语言。
- 形式化方法:用精确数学语义的形式语言书写规格说明,是设计依据和正确性验证依据;Z 语言建立在集合论与一阶逻辑之上,主要结构是"模式"。
- 多媒体:计算机技术综合处理多种媒体信息,建立逻辑连接,集成为有交互性的系统。
- 系统工程:跨学科的实现方法,从开发早期定义需求与功能,全生命周期考虑运行、成本、进度、性能等(INCOSE)。
- 系统之系统(SoS):系统元素本身也是系统;部件系统可同时属于其他无关系统。
- MBSE:建模方法的形式化应用,支持需求、分析、验证、确认(V&V)等活动,贯穿整个生命周期。
分类体系
- 操作系统 7 类:批处理(单道/多道)、分时、实时(控制系统+信息处理系统)、网络、分布式(网络 OS 的更高级形式,具透明性、可靠性、高性能)、微型机 OS(Windows/Mac OS/Linux)、嵌入式 OS(微型化、可定制、实时性、可靠性、易移植——HAL+BSP)。
- 数据库按存储体系 5 类:关系型(二维表)、键值(Key-Value)、列存储(列式 vs 行式)、文档型(XML/JSON/BSON,自描述树状结构,可视为值可查的键值库)、搜索引擎数据库。
- 中间件按职责 8 类:通信处理(消息,销售额最大)、事务处理(交易,如 Tuxedo)、数据存取管理、Web 服务器、安全、跨平台架构(CORBA/JavaBeans/COM+)、专用平台、网络中间件。
- 文件分类四维度:按性质用途(系统/库/用户);按保存期限(临时/档案/永久);按保护方式(只读/读写/可执行/不保护);UNIX(普通/目录/设备文件)。
- 文件逻辑结构:有结构记录式(定长/不定长)与无结构流式(字节流,顺序访问,可看作记录式特例)。
- 文件物理结构:连续(顺序)结构、链接(串联)结构、索引结构、多物理块索引表(链接文件/多重索引)。
- 嵌入式系统分类:实时(强实时 Hard / 弱实时 Weak)与非实时;安全攸关(Safety-Critical)与非安全攸关。
- 网络分类:局域网 LAN、无线局域网 WLAN、城域网 MAN、广域网 WAN、移动通信网。
- 局域网拓扑 5 种:星状(中心结点控制、单点故障)、树状(分级集中式)、总线(负载能力受限)、环形(单向流动、不便扩充)、网状(可靠但布线繁、成本高)。
- WLAN 拓扑 3 种:点对点型、HUB 型(集中控制)、完全分布型(仅理论探讨,军事前景好)。
- 网络设备工作层级:中继器/集线器→物理层;网桥/交换机→数据链路层;路由器→网络层;防火墙→安全门户(常为硬件防火墙)。
- 计算机语言演进:机器语言→汇编语言→高级语言(C/C++/Java/Python 等)→建模语言(UML)→形式化语言(Z)。
- 形式化方法分类:按描述方式分模型描述与性质描述;按表达能力分模型、代数、进程代数、逻辑、网络模型(Petri 网)五类。
机制
- 存储层次原理:越靠近 CPU 速度越快、容量越小、单位成本越高;分层体系以少量高速缓存换取接近高速存储的性能。
- 信道通信机制:信源 →(编码+调制) 发信机 → 信道 →(解调+译码) 收信机 → 信宿;带宽由频率响应决定。
- 信道编码 → 交织机制:信道编码只能纠零星错误 →(连续误码) 交织打乱顺序 → 接收端解交织 → 连续误码变零星 → 可纠错。
- 交换机转发机制:学习源 MAC 建 MAC 地址表 →(查到目的 MAC) 定向转发 →(查不到) 泛洪 → 定期(如 300s)更新地址表;生成树协议(STP)消除环路。
- 路由机制:查路由表选下一跳;表可静态配置或由动态路由协议自动生成;路由协议分内部网关协议 IGP(距离矢量算法 vs 链路状态算法 IS-IS/OSPF)与外部网关协议 EGP(现行为 BGP)。
流程
- 数据链路层以太网帧:DMAC | SMAC | Length/Type(>1500 表类型、<1500 表长度)| DATA/PAD | FCS。
- 数据库设计 6 阶段要点:需求分析(调查数据需求与处理需求)→ 概念结构(E-R 法三步)→ 逻辑结构(E-R 图转数据模型、定完整性约束、定用户视图)→ 物理结构(存储结构与存取方法)→ 应用程序设计(结构化或面向对象)→ 运行维护(转储恢复、安全完整性控制、性能监督、重组重构)。
- DO-178B 生命周期:软件计划过程;软件开发过程 4 子过程(需求、设计、编码、集成);软件综合过程 4 子过程(验证、配置管理、质量保证、审定联络)。适航三要素=目标、过程、数据。
- 系统工程生命周期 7 阶段:探索性研究 → 概念 → 开发(含 V&V)→ 生产 → 使用 → 保障 → 退役。四类方法:计划驱动、渐进迭代式 IID、精益(源于丰田准时化)、敏捷。
判据
- 选路由协议:小型网络→距离矢量(易配置,大网络有环路和带宽问题);大型网络→链路状态(IS-IS、OSPF)。
- 批处理 vs 联机事务处理(OLTP):批处理经济、适合定期出报表但主文件易过时;OLTP 即时更新与响应,但成本高、需授权机制与容错技术(双 CPU、后备机、冗余数据)。
- 性能指标清单:计算机(主频、运算速度、内存容量、存取周期、数据处理率 PDR、吞吐率、响应时间、利用率、RASIS 特性等);网络(速率、带宽、吞吐量、时延、往返时间 RTT、利用率);Web 服务器(最大并发连接数、响应延迟、吞吐量)。
- 性能评估程序准确度递减序:真实程序 → 核心程序 → 小型基准程序 → 合成基准程序;基准程序有 Dhrystone(整数)、Linpack(浮点)、Whetstone、SPEC、TPC。
- 系统监视 3 方式:系统命令(UNIX 的 w/ps/last,Windows 的 netstat);记录文件查阅;集成可视化工具(Windows Perfmon)。
- 性能调整前置三准备:识别约束、设定负载、设置性能目标;调整循环=收集→分析→配置→测试。
- 形式化方法选型:面向对象(Z、VDM、B、Object-Z);面向属性(OBJ3、Larch);基于并发(CCS、ACP、CSP、LOTOS);基于实时(TRIO、RTOZ)。
案例
- 阿波罗登月计划(1960 年)成功运用系统工程方法,推动其全球重视。出处:2.8.1。
- 飞机订票系统(一台主机+全美 2000 多终端)为第一代计算机网络典型应用。出处:2.5.1。
数据
- 内存介质保持年限:Flash 约 10 年、光盘数年~数十年、磁盘 10 年以上、磁带 30 年以上。
- 安全攸关系统可靠性指标通常要求 10⁶~10⁹;Polar 码可靠性 99.999%,用作 5G 控制信道编码;LDPC 性能逼近香农容量极限。
- ATM 信元固定 53 字节,典型速率 150Mb/s;城域网标准 DQDB=IEEE 802.6,速率 100Mb/s 以上,分核心层/汇聚层/接入层。
- WLAN 速率演进:802.11 为 1~2Mb/s → 802.11b 为 11Mb/s → 802.11a/g 为 54Mb/s(g 兼容 b、2.4GHz)→ 802.11n 为 200Mb/s 以上。
- 移动通信演进:1G 模拟(仅语音)→ 2G 数字 9.6~14.4kb/s → 3G 达 384kb/s(室内可达 2Mb/s)→ 4G 体验≈固网 20Mb/s → 5G 峰值>20Gb/s。
- 5G 基站端 MIMO 最多 256 根天线,二维排布实现 3D 波束成型;首次将 24GHz 以上毫米波用于移动宽带。
- 网络两级子网:广域网由通信子网(转发数据)与资源子网(提供共享资源)组成;广域网分公共传输网络、专用传输网络(DDN 独占带宽)、无线传输网络。
- SONET(美加标准)/SDH(国际电联标准)均为物理层传输技术,可封装 PDH、支持 ATM。
- C 语言标准演进:C89(ANSI)→C90(ISO)→C99→C11→C18;C++:C++98→C++11→C++14→C++17→C++20。
- Java"一次编写,处处运行";UML 1997-10-17 被 OMG 采纳;1999 年底占面向对象建模市场 90%。
- 嵌入式处理器工艺三档:民用、工业、军用。
- 指令格式按地址域数量:三地址、二地址、单地址、零地址(堆栈机)、可变地址数指令。
易错点 / 边界情况
- 片上缓存与片外缓存均为 SRAM,区别是位置与容量;主存 DRAM 需不断充电维持数据。
- "带宽"两义:信号频带宽度(单位 Hz)与网络传送数据能力(单位 b/s),考题常混考。
- 伪指令语句汇编后不产生机器代码,其操作在汇编时完成;指令语句的操作在程序运行时完成——两者名字字段结束符也不同(指令语句标号用冒号,伪指令用空格)。
- 硬链接基于索引结点、不能跨文件系统;符号链接是路径映射、可跨文件系统甚至跨网络。
- 空闲区表只适合连续文件;位示图适合各种物理结构(描述能力强)——"适合哪种物理结构"是经典考点。
- 计算机网络四阶段时间线:诞生(60 年代中期前,单机联机)→ 形成(60 年代中期—70 年代,ARPANET,通信子网+资源子网)→ 互联互通(70 年代末—90 年代,TCP/IP 与 OSI 两大体系)→ 高速发展(90 年代至今,Internet)。
- IGP/EGP 与"距离矢量/链路状态"是两个维度:IGP 内含两类算法,BGP 属 EGP。
- 分时系统时间片例:20 终端×50ms 时间片→每 1s 全部服务一遍。
- 霍尔三维=硬系统方法论(工程问题,可量化);切克兰德=软系统方法论(社会经济问题,核心是比较与探寻);WSR=物理-事理-人理(顾基发、朱志昌,1994),实践准则"懂物理、明事理、通人理"。
- 系统分类四层递进:简单系统 → 巨系统 → 简单巨系统 → (开放的)复杂巨系统;综合集成法(钱学森,1990)处理开放的复杂巨系统。
- 流式文件可看作记录式文件的特例;记录式文件的记录长度分定长与不定长。
- VR/AR 四类:桌面式(成本低、易实现)、分布式(多用户共享、研发成本极高)、沉浸式(完全沉浸、对硬件要求高)、增强式 AR(虚实叠加、起步最晚)。
- DO-178B/C 与 CMMI 区别:前者适航审定视角、聚焦软件与安全、目标更清晰;后者过程改进视角、覆盖个人/项目/组织三层、对组织体系更有指导性。
- MPSE 阶段产物对应关系:需求分析阶段→需求图/用例图/包图;功能分析与分配→顺序图/活动图/状态机图;设计综合→模块定义图/内部块图/参数图。